Вопрос 32. Биофизические основы термического, механиче­ского и химического действия ультразвука на клетки и ткани организма. Механизм кавитации.

Ультразвуком называются механические колебания и волны, час­тоты которых более 20 Кгц.

Верхним пределом условно считают час­тоты 10⁶-10⁷Гц.

Ультразвук оказывает механическое, тепловое и физико-химическое действие на биологические ткани.

1) при прохождении УЗ волны в среде в ней создается переменное давление Р, которое в каждой точке среды зависит от внешнего дав­ления Ро и ультразвукового давления Р_зв: Р = Ро + Р_зв.

Давление в ультразвуковой волне средней мощности изменяется в пре­делах от +3 атм до -3 атм. Возникновение отрицательного давления приводит к образованию внутри жидкости микрополостей (каверн). При повышении давления микрополость не исчезает, а начинает пульсировать с частотой ультразвуковой волны. Возникает явление кавитации. Это может привести к разрушению биологической ткани. Порог кавитации зависит от степени чистоты жидкости. Тканевая жидкость «грязная». В ней каверны образуются уже при давлении по­рядка -0,9 атм. В бидистилляте каверны образуются при давлениях порядка -1700 атм;

2) периодическое сжатие приводит к адиабатическому повышению температуры. Акустическая энергия при этом превращается в тепло­вую. Особенно сильно разогревается биологическая ткань на границе раздела двух сред с различной плотностью, так как в этих местах происходит явление отражения ультразвука. В этом состоит механизм теплового действия ультразвука;

3) поглощение ультразвука обусловлено внутренним трением и вяз­костью среды. Взаимное трение молекул приводит к тому, что они возбуждаются и ионизируются. Ионы и радикалы вступают во взаимодейст­вие с белковыми молекулами, что приводит к возникновению неспе­цифических продуктов для данного вида биологической ткани;

Литература: Ремизов А.Н.,Медбиофизика,-1987,с.1б4-169, Губанов Н.И.,Медбиофизика,-1978,с.245-250.

Вопрос 33. Использование уз в диагностике и лечении. Эхолокация. Допплерография. Ультразвуковая физиотерапия.

Ультразвук - это механическая волна. Длина волны ультра­звука значительно меньше звуковой волны. Ультразвуковые волны хорошо отражаются, преломляются. Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение зависят от состояния среды. Сжатие и разрежение, создаваемые ультразвуком, приводят к образова­нию разрывов внутри жидкости - каверн.

Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука, вызывают в биологических объектах следующие эффекты:

• микровибрацию;

• разрушение биомакромолекул;

• перестройку и повреждение биологических мембран, изменение их проницаемости;

• разрушение клеток и микроорганизмов;

• нагревание.

Использование УЗ в диагностике:

- эхоэнцефалография - определение опухолей и отёка головного мозга;

- ультразвуковая кардиография - измерения размеров сердца в динамике;

- ультразвуковая локация - определение размеров различных объектов и расстояний до них;

- ультразвуковой эффект Допплера позволяет изучить характер движения сердечных клапанов и измерить

скорость кровотока.

Ультразвуковая физиотерапия - механическое и тепловое действие на ткань. При этом. используется ультразвук частотой по­рядка 800 КГц и интенсивностью 1 Вт/см².

Для рассечения биологических тканей применяют ультразвуковой скальпель.

Ультразвук используется для «сваривания» повреждённых или трансплантируемых костных тканей.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, используется для изготовления лекарств.

Губительное действие УЗ на микроорганизмы используется для стерилизации.

При проведении физиотерапевтического воздействия необходимо учитывать тот факт, что волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Если ультразву­ковой излучатель приложить к телу человека, то ультразвук будет от­ражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и телом. Что­бы этого не было, поверхность ультразвукового излучателя покрыва­ют слоем масла.

Литература: Ремизов А.Н.,Медбиофизика,-1987,с.148-150, 164-169; лекции.

Вопрос 34. Шкала электромагнитных воли. Классификация частотных интервалов, применяемых в медицине. Зависимость действия переменного тока от частоты. Механизм действия элек­трического и магнитного полей, токов ВЧ на организм.

Различные электромагнитные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. В связи с этим составлена единая шкала элек­тромагнитных волн. Шкала построена по принципу увеличения час­тоты (уменьшения длины волны). Так как электромагнитные волны разных частот оказывают различное действие на организм человека и животных и имеют различные свойства, то вся шкала условно под­разделена на шесть диапазонов:

- радиоволны (длинные, средние и короткие),

- инфракрасные,

- видимые,

- ультрафиолетовые,

- рентге­новские,

- гамма-излучение.

Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц (микроизлучатели). Рентгеновское излучение воз­никает при внутриатомных процессах, гамма-излучение имеет ядер­ное происхождение.

частотных интервалов

В медицине принята классификация электромаг­нитных колебаний на частотные интервалы:

1. Низкие (НИ) ..........................до 20Гц

2. Звуковые (34).........................20Гц-20КГц

3. Ультразвуковые (УЗЧ).................20КГц-200КГц

4. Высокие (ВЧ)..........................200КГц-ЗОМГц

5. Ультравысокие (УВЧ)...................30 - 300МГц

6. Сверхвысокие (СВЧ).....................Свыше 300МГц

Действия переменного тока зависит от его частоты.

При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, оказывает раздражающее действие на биологиче­ские ткани. Это обусловлено смещением ионов растворов электроли­тов, их разделением, изменением их концентрации в разных частях клетки и межклеточного пространства. Пороговое значение тока про­водимости, вызывающего возбуждение, зависит от частоты тока, а в диапазоне от 0,1 до 3,0 КГц пороговое значение тока пропорциональ­но корню квадратному от частоты тока, а в диапазоне от 5 до 100 КГц - пропорционально частоте.

Приложением переменного тока частотой свыше 3 Кгц практиче­ски не удается возбудить нервы и мышцы. При непосредственном действии на нервы и мышцы этот частотный предел отодвигается к 200 Кгц, но ткани на этой частоте возбуждаются только сильным то­ком.

Возбуждение нервной и мышечной ткани под действием ЭМП (электромагнитных полей) служит биофизическим механизмом элек­тротравмы. Ее причиной может быть как постоянный, так и пере­менный (ниже 100 КГц) электрический ток. Вызванные несвоевре­менно и в ритме, не свойственном организму, процессы возбуждения нарушают нормальную жизнедеятельность. Особенно опасны такие нарушения в сердце, дыхательной мускулатуре, центральной нервной системе. Наибольшую опасность при этом представляет область меж­ду 30 и 300 Гц.

Поражающий эффект определяется не напряжением, приложен­ным к телу человека, а током, протекающим через него за определен­ное время. Поэтому не должно удивлять поражение человека электри­ческим током, текущим под напряжением 12В.

Действие на организм низкочастотных ЭМП не вызывает заметно­го нагрева тканей, так как тепловая энергия, поглощаемая при этом тканями меньше метаболической теплопродукции.

В отличие от реакций организма на ЭМП низкой частоты, высоко­частотные биологические эффекты электромагнитных излучений обу­словлены главным образом тепловой энергией, выделяющейся в подвергшихся облучению тканях.

В диапазоне от 1 до 300 МГц механизмы взаимодействия ЭМП с организмом определяется как током проводимости, так и током сме­щения, причем на частоте порядка 1 МГц ведущая роль принадле­жит току проводимости, а на частотах более 20 МГц - току смещения. Выделяемая теплота при этом зависит от диэлектрической проницае­мости тканей, их удельного сопротивления, частоты электромагнит­ных колебаний. Подбирая частоту можно осуществлять термоселективное воздействие.

Кроме теплового эффекта возможно атермическое действие (осо­бенно в СВЧ-диапазоне). Электромагнитные колебания и волны, при совпадении их частоты с частотой собственных колебаний молекул, приводят к разрыву химических связей и образованию свободных ра­дикалов.

Литература: Ремизов АН., Медбиофизика, -1987, с.337-351. Лекции.